KR101148309B1 - ＣａＯ를 함유하는 미립자 또는 분말상 물질의 수화를 위한방법 및 장치, 수화된 생성물 및 수화된 생성물의 용도 - Google Patents

Abstract

CaO를 함유하는 미립자 또는 분말상 물질의 수화를 위한 방법뿐만 아니라 장치에 대해 기재되어 있다. 방법은 온도(℃)의 함수로서 첨가되는 물의 분압

이 공식(I)에 의해 정의되는 범위 내에서 유지되는 것이 보장될 정도의 양으로 첨가된다는 점에서 특징으로 가지고 있으며, 여기서

은 atm으로 수증기의 분압이고, T는 섭씨 온도이다. 이에 의하여, 물질 입자가 응집체로 뭉치지 않고, 입자가 외부로부터 내부 방향으로 균일하게 수화되어, 물질 입자의 활성 표면이 부분 수화와 함께 수화된다. 이는 물이 특정 범위 내에서는 증기 형태로 나타날 것이기 때문에, 액체 물이 물질 입자와 접촉되지 않을 것이라는 사실에 기인한다.

Description

ＣａＯ를 함유하는 미립자 또는 분말상 물질의 수화를 위한 방법 및 장치, 수화된 생성물 및 수화된 생성물의 용도{METHOD AND APPARATUS FOR HYDRATION OF A PARTICULATE OR PULVERULENT MATERIAL CONTAINING CAO, HYDRATED PRODUCT, AND USE OF THE HYDRATED PRODUCT}

본 발명은 CaO를 함유하는 미립자 또는 분말상 물질을 수화하는 방법에 관한 것이다. 수화된 생성물은 킬른(kiln) 공장, 예를 들어 시멘트 클링커(clinker)를 제조하는 킬른 공장으로부터 SO₂ 배출물을 줄이는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.

상기 언급된 종류의 방법은 예를 들어 DK/EP 1 200 176로부터 알려져 있다. 이 알려진 방법의 주된 단점은 느린 수화 속도이며, 이는 CaO를 함유하는 원료 분말의 수화가 수증기의 분압이 상대적으로 낮은 수준에 있는 공기와 물의 혼합물에서 발생한다는 사실에 기인한다. 물질에 함유된 CaO의 80 내지 100% 범위의 수화 정도를 달성하는 것이 바람직한 경우에, 이 알려진 방법은 물질 입자와 수증기가 접촉 중 상대적으로 긴 체류 시간을 요구할 것이며, 그 결과 상당한 반응 부피를 필요로 한다. 또한, CaO를 함유하는 물질이 킬른 시스템으로부터 추출되고, 250℃ 미만의 온도로 냉각되고, 후속하여 액체 물로 혼합되는 때 수화되는 방법이 알려져 있다. 이 방법의 단점은 물질 입자가 응집하는 경향을 가질 수 있어, 후속적인 고비용의 해리(disagglomeration)를 필요로 하거나 이러한 덩어리 물질 응집의 더욱 작은 단일 입자로의 그라인딩을 필요로 한다는 것이다. 이 방법의 추가적 단점은 CaO 함유하는 물질 입자의 수화가 외부로부터 입자의 코어 방향 안쪽으로 항상 균일하게 발생되지 않고, 대신에 몇몇 입자는 완전히 수화되는 반면에 다른 입자는 전혀 수화되지 않거나 단지 제한된 정도로만 수화되는 방식으로 종종 발생된다는 것이다.

본 발명의 목적은 상기 언급된 단점을 줄일 수 있는 방법뿐만 아니라 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 서문에서 언급된 종류의 방법에 의해 본 발명에 따라 달성되며, 첨가된 물의 분압

이 온도(℃) 함수로서 하기 공식에 의해 정의된 범위 내로 유지되는 것을 보장할 정도의 양으로 물이 첨가됨을 특징으로 한다:

여기서,

은 atm로의 수증기의 분압이고, T는 섭씨 온도(℃)이다.

이에 의하여, 이 물질 입자들이 응집체로 뭉치지 않고, 이 입자들이 외부로부터 내부 방향으로 균일하게 수화되어, 이 물질 입자들의 유효 표면이 부분 수화와 관련하여 수화된다. 이는 물이 특정 범위 내에서는 증기 형태로 나타날 것이기 때문에, 액체 물이 물질 입자와 접촉되지 않을 것이라는 사실에 기인한다.

전통적으로는, Ca(OH)₂는 액체 형태의 물과 태운 석회 사이에서의 반응에 의해 형성되지만, 본 발명에 따른 반응은 수증기에 의해 달성된다. 액체 물에서 입자를 소화(消和)하는 대신에 수증기의 입자를 현탁시킴에 의해, 입자의 응집을 막을 수 있을 것이고, 그 결과 후속적인 고비용의 해리를 피하거나 더욱 작은 단일 입자로 이 응집체를 그라인딩하는 것을 피할 수 있을 것이다.

Ca(OH)₂는 수화 공정 중에 형성된다. 수화 공정 중에 형성된 Ca(OH)₂의 안정성은 도 1에 예시된 바와 같이 온도 및 형성된 수증기의 분압에 주로 의존한다. 수화 공정은 유리하게는 최대 수증기 양을 함유하는 대기에서 일어나야 한다. 그래서, CaO를 함유하는 물질뿐만 아니라 물이 수직 반응기의 상부 말단에 도입되고, 후자를 통해 아래로 향하여 동시에 증발 및 수화되고, 수화된 생성물이 반응기로부터 이의 하부 말단에서 배출되는 것이 본 발명에 따르면 바람직하다. 반응기에서의 하향 방향의 운동 때문에, 물질 입자를 위한 운반 매개체로서 공기를 사용하는 것이 필요하지 않고, 그래서, 약 100% 순수한 수증기로 구성되는 대기를 만드는 것이 가능할 것이다. 물의 증발에 요구되는 열에너지는 이 물질에 의해 제공된다.

대안적으로는, CaO를 함유하는 물질은 수직 반응기의 상부 말단 속으로 도입될 수 있고, 후자를 통해 아래로 향하여 반응기의 높이를 가로질러 배치된 다수의 장소에서 도입되는 물에 의해 동시에 수화되고, 여기서 임의의 증기 형태의 잉여 물은 반응기의 상부 말단에 있는 개구를 통해서 배출되고, 여기서 수화된 생성물은 반응기의 하부 말단으로부터 반응기에서 배출된다.

수화율은 수증기의 온도 및 분압이 증가함에 따라 증가한다. 그러나, 온도는 Ca(OH)₂가 수증기의 주어진 분압에서 불안정해지는 온도를 넘지 않아야 한다. 실제 수행에서, 이 온도는 CaO를 함유하는 물질의 온도, 주입되는 물의 양 및 반응기를 떠난 후에 추가로 냉각될 수 있었던 수화된 생성물의 재순환 가능한 서브-스트림에 의해 결정된다. 이 물의 부피가 CaO를 함유하는 물질의 온도 및 수증기의 분압이 각각 Ca(OH)₂가 안정하고, 액체 물이 없고 수화가 멈추지 않는 온도 및 압력 범위 내에서 유지되도록 적용되는 것이 중요하다. 그래서 본 발명에 따르면 수화 공정 중의 온도가 100℃ 초과 수준, 바람직하게는 200℃ 초과 수준 및 가장 바람직하게는 250℃ 초과 수준에서 유지되는 것이 바람직하고, 수증기의 분압이 0.01 내지 10atm, 바람직하게는 0.1 내지 2atm, 가장 바람직하게는 0.9 내지 1.1atm에서 유지되는 것이 중요하다.

수화된 생성물은 후속하여 가스 내 SO₂ 함유량을 줄이는데 사용될 수 있다. 이러한 방법과 관련하여, 수화된 생성물의 외부 표면만이 세척을 위해 표적된 SO₂를 함유하는 가스와 접촉할 것이고, 얻어진 SO₂ 감축은 물질 입자의 수화가 코어로 바로 수행되는 경우에, 수화가 입자의 표면에 제한된다면 달성되는 것과 비교하여, 크게 개선되지 않음은 증명된 사실이다. 또한, 표면의 초기 수화율은 상대적으로 높지만, 반면에 후속하는 코어의 수화는 느린 과정임이 확인되었고, 이는 이 물이 입자 표면으로부터 코어를 향한 안쪽으로 수화된 생성물의 층을 통해 확산 되어야 하기 때문이다. 본 발명에 따르면, 그래서, 수화가 물질 입자의 표면에 제한되는 것이 바람직하다. 이의 결론으로서, 수화의 정도는 70%, 바람직하게는 50% 미만으로 줄어들 수 있다. 수화가 물질 입자의 표면에 제한된다면, 물질 입자의 상대적으로 짧은 체류 시간을 가지는 더욱 작은 반응기를 사용하는 것이 가능할 것이다. 수화된 생성물이 계속해서 800℃ 초과 수준으로 가열되고 그 결과 하소(calcine)하는 공장, 예를 들어 시멘트를 제조하는 공장에서 SO₂ 감축을 위해 사용되는 몇몇의 경우에, 모든 수화된 CaO가 SO₂와 접촉되지 않는다면 에너지의 낭비가 있을 것이며, 이는 후속하여 발생되는 탈수화가 흡열 반응이라는 사실 때문이다.

본 발명에 따른 방법은 시멘트 제조 공장에서 이롭게 활용될 수 있다. 시멘트 제조 공장은 사이클론 예열기, 하소로, 킬른 및 클링커 냉각기를 포함하는 킬른 시스템을 포함하여, 여기서 전형적으로 시멘트 원 재료가 예열되고, 하소되고, 태워져 시멘트 클린커 속으로 들어가며, 후속하여 냉각된다. 본 발명에 따른 방법이 이러한 공장, 또는 유사한 공장에서 사용되는 경우에, 하소된 원재료의 형태로 CaO를 함유하는 물질이 시멘트 제조 공장의 하소로로부터 추출되는 것이 바람직하다. 후속하여, 수화된 생성물은, 배출 가스의 운동 방향으로 보이는, SO₂가 형성되는 위치 바로 뒤에 있는 시멘트 제조 공장의 예열기 속으로 재도입될 수 있으며, 여기서 SO₂는 형성되어 시멘트 클링커와 함께 킬른 시스템으로부터 배출될 황산 칼슘의 동시 형성으로 SO₂를 흡수한다.

CaO를 함유하는 미립자 또는 분말상 물질의 수화를 위한 본 발명에 따른 장치는 상부 말단 및 하부 말단, CaO을 함유하는 물질과 물을 합하여 또는 분리하여 도입시키기 위한 반응기의 상부 말단에 있는 수단, 및 수화된 생성물을 배출하기 위한 반응기의 하부 말단에 있는 수단을 통합하는 수직 반응기를 포함한다.

본 발명에 따른 방법에 의해 제공된 생성물은 킬른 공장, 예를 들어 시멘트 클링커를 제조하기 위한 킬른 공장으로부터 SO₂ 배출물을 줄이기 위해 적절히 사용될 수 있다. 본 발명은 지금부터 도면 및 도표를 참조로 하여 더욱 상세히 설명될 것이며, 여기서,

도 1은 온도 및 H₂O(g) 분압의 함수로서 성분 H₂O, CaO, 및 Ca(OH)₂를 위한 위상안정도를 보여주며,

도 2는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 전통적인 시멘트 제조 공장을 보여주며,

도 3은 본 발명에 따른 장치의 특히 바람직한 구체예를 보여주고,

도 4는 본 발명에 따른 장치의 대안을 보여준다.

도 1에서, 성분 H₂O, CaO, 및 Ca(OH)₂을 위한 위상 안정도를 보여준다. 음영 영역에서, Ca(OH)₂는 안정하고 물은 증기 형태로 존재한다. 도표의 음영 영역의 오른쪽 영역에서는 Ca(OH)₂는 불안정하고 CaO + H₂O로 탈수될 것이다. 도표의 음영 영역의 왼쪽에서는, 물은 물질 입자의 응집을 일으키는 액체 형태로 존재한다. 본 발명에 따른 방법을 수행하는 경우에, 온도 및 분압은 따라서 하기 공식에 의해 수학적으로 정의될 수 있는 음영 영역 내로 유지되어야 한다.

여기서,

은 atm으로 수증기의 분압이고, T는 섭씨 온도(℃)이다.

도 2에서 4개의 사이클론 단계(1a 내지 1d)를 가진 사이클론 예열기(1), 별도의 사이클론(2a)을 가진 하소로(2), 회전 킬른(3) 및 클링커 냉각기(4)를 포함하는 시멘트 제조 공장을 보여준다. 공장은 전통적인 방법으로 작동하며, 원료 분말이 사이클론 예열기의 제 1 사이클론 단계(1a)를 위한 입구 관에 있는 입구(8)에 도입되고, 가열되고, 하소되며 및 후속하여 태워져 클링커 속으로 들어가며, 이때 초기에는 예열기(1), 하소로(2)를 통해 운반되고, 후속적으로 회전 킬른 내 버너(9) 및 하소로(2) 내 버너(10)에서 각각 생성된 뜨거운 배출 가스로 역류가 있는 회전 킬른(3)을 통해 운반된다. 태워진 클링커는 후속적으로 클링커 냉각기(4)에서 냉각된다.

본 발명에 따른 방법은 이러한 공장에서 이롭게 활용될 수 있다.

본 발명에 따른 대량의 뜨거운, 하소된 원료 분말은 공장의 하소 장치로부터 추출되고, 이 원료 분말은 높은 CaO 함유량을 가진다. 원칙적으로, 이 단계로부터 이 원료 분말의 추출물은 적절한 방법, 예를 들어, 분리 사이클론(2a) 하에 장착된 스플리터 게이트를 사용하는 방법으로 처리될 수 있다. 제시된 바람직한 구체예에서, 하소된 원료 분말은 분리 사이클론(2a)과 평행하게 세워진 작은 사이클론(5a)에 의해 추출된다. 사이클론(5a)에 의해 추출되는 물질의 양은 게이트(5b)에 의해 적절하게 조절될 수 있다. 추출된 하소 원료 분말은 다음에 상부 입구 말단 및 하부 출구 말단을 가진 수직 반응기(6a)를 포함하는 수화 장치(6)(도 3 참조)로 보내진다. 추출된 물질의 서브-스트림이 균일하지 않다면, 버퍼로서 작동되어, 수화 장치(6)로 옮겨지는 물질 스트림을 부드럽게 만들 수 있는 매개 장소(intermediate bin)(도시되지 않음)를 설치하는 것이 가능할 것이다. 전형적으로는, 추출된 하소된 원료 분말의 온도는 하소 단계로부터 추출되는 경우 약 800℃가 될 것이며, 따라서, 그것이 매개 장소로 도입되기 전에, 그런 경우는 별로 없지만, 원료 분말의 냉각이 필요할 수 있다.

CaO를 함유하는 하소된 원 재료의 바로 그 수화가 도 3의 추가 상세한 설명에서 보여지는 수화 장치(6)에서 발생된다. 본 발명의 바람직한 구체예에 따라, 하소 원료 분말 및 물은 반응기의 상부 말단에 있는 수화 장치(6)의 반응기(6a)에 도입된다. 원료 분말은 입구(6b)를 경유하여 적절한 방법으로 도입될 수 있지만, 반면에 물은 하나 이상의 노즐(6c)에 의해 적절한 방법으로 도입되고 분사 공기와 혼합될 수 있다. 수화 장치(6)의 제 1 상부 부분에서, 주입된 물은 공급된 원료 분말을 냉각할 것이고, 마지막 하부 부분에서, CaO와 반응함과 동시에 Ca(OH)₂를 형성할 것이다. 제시된 구체예에서, 수화 장치(6)는 반응기(6a)의 직접 증축으로 장착된 하부 고정 챔버(6d)를 포함한다. 작동 중에, 수화된 생성물은 고정 챔버(6d)에서 침전될 것이며, 여기서부터 출구(6e)를 경유하여 추출될 수 있다. CaO와 반응하지 않는 물의 양 및 분무 공기는, 적용된다면, 도관(6f)를 통해서 추출될 수 있다. 이 도관(6f)은 추출된 공기에서 부유된 먼지를 분리하기 위해 아래에 사이클론과 함께 배열될 수 있다.

본 발명에 따라, 수화된 생성물은 사이클론 예열기(1)를 떠나는 배출 가스에서 SO₂를 줄이기 위해 사용될 수 있다. 이는 운송기(7)의 적절한 수단에 의해 수화 장치(6)로부터 수화된 생성물을 이동시키고, 출구(8)를 경유하여 예열기(1)에 도입되는 원료 분말 공급물과 혼합시킴에 의해 적절히 처리될 수 있다. 그러나, 수화된 생성물은 또한 그외의 곳, 예를 들어, 랜덤 사이클론 단계, 또는 통합된다면, 컨디셔닝 타워(conditioning tower)(도시되지 않음)에 도입될 수 있다.

몇몇의 경우에, 수화된 생성물의 어느 정도의 양을 수화 장치(6)로 재순환시키는 것이 이로울 수 있다. 이는 운송기(7)의 수단으로부터 수화된 생성물의 어느 정도의 양을 추출하기 위한 사이클론을 포함할 수 있는 운송기(7a)의 수단을 통해 처리되는 것이 가능할 수 있다. 예를 들어, 수화되는 CaO를 함유하는 물질의 온도가 CaO의 수화에 필요한 물 부피의 증발을 위한 열 에너지를 제공하기 위해 필요한 온도를 넘는다면, 예를 들어, CaO를 함유하는 물질이 온도가 전형적으로 800℃보다 높은 시멘트 제조 공장에서 하소로로부터 추출되는 경우일 수 있으며, 일정 부분의 수화된 생성물을 수화 장치(6)로 재순환시키는 것이 이로울 수 있다. 결과로서, 재순환되고, 냉각된 생성물은 수화 장치(6)에서 온도를 감소시킬 것이며, 이로인해 CaO를 함유하는 물질의 온도를 Ca(OH)₂가 안정한 온도 범위 내로 유지하는데 요구되는 물의 양도 감소할 것이다. 수화 장치로 수화된 생성물의 재순환은 주입된 물의 양에 독립적으로 수화 장치(6)에서 온도를 조절하는 것을 가능하게 할 것이고, 물질의 수화 정도는 순환 요소에 의해 변한다. 이는 또한 반응기 벽에 붙어있고 케이킹을 형성하는 습한 물질의 위험을 줄일 것이다.

도 4에서는 본 발명을 실행하기 위한 장치의 대안적 구체예를 보여준다. 이 구체예에서, 하소된 원료 분말은 입구(6b)를 경유하여 수화 장치(6)의 반응기(6a)의 상부 말단으로 도입된다. 물은 반응기 높이를 가로질러 분배된 하나 이상의 노즐(6c)에 의해 도입될 수 있고, 분무 공기와 혼합될 수 있다. 수화 장치(6)의 첫 번째 상부 부분에서, 주입된 물은 공급된 원료 분말을 냉각할 것이고, 마지막 하부 부분에서, CaO와 반응하여, 동시에 Ca(OH)₂가 형성된다. 수화된 생성물은 수문(12)를 경유하여 추출될 수 있다. CaO와 반응되지 않는 물의 양과, 여기서 관련된 분무 공기는 도시된 예에서 입구(6b)와 동일한 개구(6f)를 통해서 추출될 수 있다. 수화된 생성물의 일부는 도관(7a)을 통해 입구(6b)로 재순환될 수 있다. 재순환된 생성물의 냉각이 요구되지만, 장치는 냉각 장치(11)를 통합할 수 있다.

Claims (19)

1. CaO를 함유하는 미립자 또는 분말상 물질의 수화를 위한 방법에 있어서, 온도(℃)의 함수로서 첨가된 물의 분압

   

   이 하기 공식에 의해 정의되는 범위 내로 유지되는 것이 보장되는 양의 물이 첨가됨을 특징으로 하는 방법:

   

   여기서,

   

   은 atm으로 수증기의 분압이고, T는 섭씨 온도(℃)이다.
2. 제 1 항에 있어서, CaO를 함유하는 물질뿐만 아니라 물이 수직 반응기의 상부 말단으로 도입되고, 상기 수직 반응기를 통해 아래로 향하여 동시에 증발 및 수화되며, 수화된 생성물이 상기 수직 반응기의 하부 말단에서 반응기로부터 배출됨을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, CaO를 함유하는 물질이 수직 반응기의 상부 말단으로 도입되고, 상기 수직 반응기를 통해 아래로 향하여, 반응기의 높이를 가로질러 분배된 다수의 위치에서 도입되는 물로 동시에 수화되며, 여기서 증기 형태의 잉여 물이 반응기의 상부 말단에서 개구를 통해 배출되고, 여기서 수화된 생성물이 수직 반응기의 하부 말단으로부터 반응기로부터 배출됨을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 수화 공정 중의 온도가 100℃ 초과 수준으로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 수증기의 분압이 0.01 내지 10atm의 범위 내로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 수화된 생성물의 일부가 수화 장치로 재순환됨을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 수화가 물질 입자의 표면에 한정됨을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 수화의 정도가 70% 미만임을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 하소된 원료 분말의 형태로 CaO를 함유하는 물질이 시멘트 제조 공장의 하소로로부터 추출됨을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 수화된 생성물이 후속하여 배출 가스의 운동 방향인, SO₂가 형성되는 위치 바로 뒤에 있는 시멘트 제조 공장의 예열기 속으로 재도입되어 SO₂를 흡수함을 특징으로 하는 방법.
11. 제 2 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서, 상부 말단과 하부 말단을 통합하는 수직 반응기(6a), CaO를 함유하는 물질과 물을 합하여 또는 분리하여 도입시키기 위한 반응기의 상부 말단에 있는 수단(6b, 6c), 및 수화된 생성물을 배출시키기 위한 반응기의 하부 말단에 있는 수단(6d, 6e)을 포함함을 특징으로 하는 장치.
12. 제 3 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서, 상부 말단 및 하부 말단을 통합하는 수직 반응기(6a), CaO를 함유하는 물질을 도입시키기 위한 반응기의 상부 말단에 있는 수단, 증기 형태로 잉여 물을 배출시키기 위한 반응기의 하부 말단에 있는 수단, 반응기 속으로 물을 도입시키기 위한 반응기의 높이를 가로질러 제공되는 수단(6c), 및 수화된 생성물을 배출시키기 위한 반응기의 하부 말단에 있는 수단(12)을 포함함을 특징으로 하는 장치.
13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제공되는 수화된 미립자 또는 분말상 물질.
14. 킬른 공장으로부터 SO₂ 배출물을 줄이기 위한 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제공되는 수화된 미립자 또는 분말상 물질의 사용 방법.
15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 수화 공정 중의 온도가 200℃ 초과 수준으로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
16. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 수화 공정 중의 온도가 250℃ 초과 수준으로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
17. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 수증기의 분압이 0.1 내지 2atm의 범위 내로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
18. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 수증기의 분압이 0.9 내지 1.1atm의 범위 내로 유지됨을 특징으로 하는 방법.
19. 제 7 항에 있어서, 수화의 정도가 50% 미만임을 특징으로 하는 방법.

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